[出处] 教育教学论坛_2022年第28期

刘 琦，王建秀，石振明，叶真华，俞松波

（同济大学 土木工程学院/岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092）

引言

在土木工程学科快速发展和信息化教学技术快速进步的背景下，如何充分利用学科发展前沿理论和研发成果，并融合数字化现代实验教学手段，提升高校实验教学质量与水平，满足一流人才培养目标的需求，是土木工程学科实验教学改革与发展的重要任务和挑战。同济大学土木工程学科工程地质实验包括三个项目：矿物鉴定、岩浆岩鉴定、沉积岩和变质岩鉴定。它属于土木工程学院本科生的必修课，每年约有450人次本科生学习该课程。土木、水利工程类非地质专业的岩矿鉴定实验课程，更侧重于地质与工程的紧密结合，学生不但要学会认知岩石、矿物、地质构造，更多的是要根据所认识的岩石矿物对路基、隧道、边坡、地基以及地质灾害等工程提出设计和施工方案，解决工程建设及运行过程中的疑难杂症。但是，由于非地质类专业开设的地质类课程偏少，对于地质学和工程地质学只有初步的认识，对地质学的基本概念缺乏系统的理解，特别是对于岩石和矿物细微观特征的理解更难以把握，而岩矿的物理性质和结构特征大多比较抽象，特别是岩石中的矿物晶体较小，较难在有限的实验课时内学会鉴别。据此，近些年对工程地质实验教学体系进行了系统的研究和探索，构建了实验教学资源平台，将学科发展前沿成果持续转化到实验教学中；构建信息化教学系统，将数字化教学技术与传统课堂实验教学紧密融合；构建实验教学成效反馈机制，将工程地质实践应用与实验教学成效反馈有机结合。实验教学体系在近五年的不断完善和推广应用中取得了良好的成效，对土木人才培养起到重要的支撑作用。

一、构建实验教学体系与土木工程学科同步发展的联动机制

以国家重大需求的地质环境和工程安全的实际科学前沿问题为导向，依托团队承担的国家自然科学基金、国家重点研发项目等重大课题研究成果，采用内在融合和互动机制创新，将优秀前沿科研成果不断转化为实验教学项目的改革。重点将课程由验证性转化为综合性、设计性实验教学项目，通过视觉、听觉、触觉的感官认识来激发学生学习兴趣。通过机制和制度创新，结合中国大学MOOC平台“工程地质学”和“工学的地质思维-基础地质（普通地质学）”建立工程地质实验理论教学资源平台，组成一支有2位正高、2位副高及1位中级职称教师结合的现代实验教学资源研发师资队伍，使一线教师参与到实验教学改革中，形成“实验教师+理论教师”相结合的现代实验教学资源研发师资队伍。建立起实验教学内容、实验项目和实验装备与学科发展同步持续更新的联动机制，从而破解工程地质实验教学内容滞后于学科发展的瓶颈，为土木工程学科人才培养提供重要基础。

二、多尺度现代数字教学技术与实验教学的融合模式

实验课程以相关纪录片或工程案例视频开场，在营造轻松、友好的实验教学氛围的基础上，以提高学生的精准实验能力为目标，以学生为中心的全过程主动参与为前提，以理论—实验—实践一体化流程为路径，利用虚拟实验系统，建立具备宏观地学背景、系统概念、生动高效传递知识、提升综合能力的实验课程。通过学校修购计划和教改（精品）实验项目的建设，综合运用板书、多媒体、标本实物、网页、视频等多尺度现代数字化教学技术，形成了基础地质（工程地质）虚拟仿真实验项目平台、矿物和岩石的光学显微镜鉴定教学互动实验室等。利用数字化技术具有的存储、多媒体展示和网络传输的特点，依托多种信息化技术建成包含课堂实验教学、在线实验教学的虚实结合的多维度与多尺度互动的实验教学体系，形成现代数字教学技术与实验教学的全面融合模式；结合基础地质实验教学平台和信息化实验教学技术支撑队伍，师生互动交流的渠道得以拓宽，实验内容在多学科中实现跨越，实验操作在时间、空间限制上完成突破，形成了“人人易学、处处能学、时时可学”的实验教学新机制。

（一）实验标本照片的数字化

将土木工程类专业主干课程工程地质实验涉及的自然界中常见的19种矿物、9种岩浆岩、9种沉积岩、8种变质岩标本进行典型样品的数字化制作、整理与编号，通过宏观和微细观图片展示其物理特性，并制作岩矿物理、化学特性动画，加深学生对岩矿标本颜色、光泽、解理、节理等特性的理解。

（二）实验教学多媒体课件的开发

在工程地质实验教学课堂中，利用强烈的感官刺激带动学生的学习兴趣与思维冲撞，以国家重大项目研究成果为基础，结合矿物岩石的基本概念、颜色、光泽、解理、节理、结构、构造，以及三大类岩石的结构、构造、矿物成分、成岩过程、工程应用等教学内容，开发紧跟科学研究前沿的内容丰富、图文并茂的课堂数字化教学课件；配合科学前沿研究视频，从静到动地展示地质与土木工程、环境科学的有机结合案例。

（三）实验教学条件的改善

结合学校修购专项资金与实验教改项目，对实验教学条件进行改善，配备了电脑、投影仪、音响等多媒体设备6台套，更新了实验桌椅、矿物标本、刻刀、摩氏硬度计、磁铁、条痕板等实验用具200余台套，新增和更新平面展板和立体展板30余套，直观展示岩石及矿物循环演变的各个过程及物理性质，并将偏光显微镜、电子显微镜等一些小型科研设备应用于教学演示以开阔学生视野，增强创新意识。

（四）互动教学模式的改进

采用“感官认识—兴趣驱动—实践贯通与互动交流—深刻印象—强化能力”的教学模式，利用标本实物、光学放大镜和电子放大镜、显微镜等实验设备，进行宏—细—微观多尺度教学，同时增加与学生的互动，通过小组讨论、各种地质现象的抢答及演示活动、电子放大镜手机拍照、显微镜下观察等环节，活跃课堂气氛，提高学生的学习积极性。据近几年的课堂反馈，利用电子放大镜连接手机拍摄岩矿标本的细观特征并分享朋友圈成为学生上课的一大兴趣爱好，这也很好地为工程地质实验课程和岩矿细观特征科普进行了宣传。

在知识传授方面，主要采用课堂讲授、提问、讨论与参观等形式进行教与学，传授基本知识。在能力培养方面，通过启发式和引导式标本鉴定教学，提高学生获取知识的能力；通过提问、讨论与分析，提高学生的知识理解和综合应用能力；通过学生自行动手完成岩矿鉴定实验，提高其分析和解决实际问题的能力。在素质提升方面，结合室内实验的教学工作，搜集和整理岩矿鉴定在实践工作中应用的范例，提升学生的学习兴趣；通过标本描述以及课程考核的严格把关，将科学态度和敬业精神潜移默化地融入学生的意识，提升其职业道德素质；通过小组分工合作，锻炼学生的团队合作意识和自我奉献精神（详见图1）。

图1 教学理念与教学方法示意图［2］

（五）实现虚拟仿真实验教学

本团队开发的基础地质（工程地质）虚拟仿真实验项目平台针对工程地质实验中的矿物鉴定、岩浆岩鉴定、沉积岩和变质岩鉴定建立了虚拟仿真训练，可支撑学生在学时和场地受限的情况下，进行自主学习、探究学习和协作学习。特别在2020年新冠疫情暴发的情况下，学生无法正常进行线下学习，以及在后续国外留学生无法返校的情况下，采用教师线上直播教学与学生在线虚拟仿真实验项目平台预习、复习相结合的方法，取得了较好的教学效果，也为日后线上教学提供了保障。

三、形成工程实践应用与实验教学成效反馈机制

利用工程地质野外实践基地——浙江杭州地质实习基地，构建老和山线路的地质基本功及水文地质实习，玉皇山线路地质构造实习，钱塘江沿岸线路、宝石山和龙井—灵隐线路的工程地质实习这五条各具特色的实习路线，引导学生从肉眼鉴定三大类岩石的能力，到运用地质术语，识别地质图，鉴别岩层性质、地质年代及其分布规律、地质构造、岩层的接触关系，阅读和应用地质报告等，对学生的知识掌握和实践应用能力进行检验，采用启发式、参与式、讨论式、探究式和案例式的教学方法，通过地质现象和工程实例讲解、现场互动答疑、野外记录和作图等多种手段，构建课堂实验教学成效的反馈机制，将工程地质野外实践应用与课堂实验教学成效反馈有机结合，建立起实验教学内容、教学方法与学科应用发展同步持续更新的联动机制，对学生综合能力的培养尤其是人格品质的养成起到积极作用。

四、成果的推广应用效果

通过2016—2021年五年间的研究、探索与实践，我们集成了上海市首批虚拟仿真实验教学项目“基础地质实验”及同济大学精品实验项目“矿物鉴定”“岩浆岩鉴定”“沉积岩和变质岩鉴定”等实验教学相关成果，并利用自编教材《工程地质学》和《矿物和岩石鉴定实验指导》，以及线上学习平台资源，形成一套教师讲授与学生独立操作、课上教学与课下复习相结合的高效实验教学方法，提高了学生的学习兴趣，为学生扎实掌握岩矿鉴定、识别地质现象和阅读勘查报告的方法，提供了多种途径和手段。该体系面向土木工程学科每年450人次的本科实验教学，取得了良好的应用效果，突破了实验教学内容滞后于学科发展的瓶颈和学时场地对实验教学模式的限制，实现了实验教学与工程应用的有机结合。

结语

在经济化、信息化背景下，以培养面向未来行业发展及社会需求的土木人才为目标，通过学科发展前沿成果与实验教学资源联动开发、现代实验教学技术与传统实验教学方式融合提高、工程实践应用与实验教学反馈机制构建等一系列举措，形成面向学科发展与教学技术进步的工程地质实验教学创新体系。构建工程地质实验教学体系与学科同步发展的联动机制，可以有效破解实验教学内容滞后于学科发展的瓶颈，形成多尺度现代多媒体教学技术与实验教学的全面融合模式，从而突破实验教学模式受限于学时和场地的限制；建立工程实践应用与实验教学成效反馈机制，实现工程应用对理论和实验教学的反馈机制，实现工程地质实验教学的可持续发展，对全面提高面向未来行业发展及社会需求的土木人才培养质量起到重要的支撑作用。